122019

特 集

質量は環境で変化するのか？
インタビュー

ハドロンの質量が変わる？

成木 恵

電子を 見る 検出器の開発

足利 沙希子

実験を支える電磁石の技術
広瀬 恵理奈

髙橋 仁

小松 雄哉

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物が生まれるしくみに迫る

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2019年6月25日〜2019年9月24日〜ハドロン物理の夢とアプローチ〜

以降は、以下のURLで当該動画をご覧いただけます。

http://www.j-parc.jp/c/public-relations/publication.html

物質はどのように生まれるのか？それは もの の質量の数%でしかない。

環境で、質量が変化するかどうかを調のヒントにつながる実験の準備がハド残りの大部分の質量を説明する、いわべる。

ロン実験施設で進んでいる。

ゆる「南部理論」は、真空にはクォーク

2012年にスイスCERNの加速器と反クォークのペアが充満しているせハドロン実験施設の高運動量ビームでヒッグス粒子が見つかった。素粒子

いで粒子に質量が発生するというもラインでは、地球上で最も高密度の環の質量はこれで説明できたが、実はこの。シカゴ大・南部陽一郎教授の境である原子核の中でのハドロン（※）

2008年ノーベル物理学賞受賞対象

質量を測定する実験の準備が2019年となった「自発的対称性の破れの機構度の開始を目指して進んでいる。本号での発見」は、この理論の考察を通してなは、この実験や装置の内容、様々な工されたものである。
「南部理論」の詳細

夫、活気あふれる現場の様子を特集すを実験で確かめるために、真空とは異る。
（聞き手はJ-PARC広報セクション）

なる状態、すなわち温度や密度の高い

本実験の概要と検出器のしくみ
原子核中でハドロンの質量が変化することが理論から示唆されている。本実験では、
φ中間子を使ってこれを確かめる。J-PARC加速器でつくった陽子ビームを原子核標的に入射し、φ中間子を生成する。
φ中間子が崩壊してできた電子、陽電子を測定すると親のφ中間子の質量が分かる。
図の説明
標的：中央に位置し、陽子ビームが標的の原子核に当たると、φ中間子が生成される。そのφ中間子はすぐに崩壊して電子と陽電子ができる。この電子、陽電子の運動量を測定すると親のφ中間子の質量が分かる。

（※）ハドロン：バリオン（クォーク 3 個）や中間子（クォークと反クォーク）など、クォークから構成される粒子。

※実験装置全景で水色の枠のような大きな構造物はスペクトロメータ電磁石。
上図はこの電磁石の内側に設置される検出器を真上から見たもの。

GEMトラッカー：この領域に強い磁場がかかっている。電子、陽電子が通過する位置を検出する。3層あるので飛跡の曲率半径が分かり、そこから電子、陽電子の運動量がわかる。
LG：多数の粒子の中から電子、陽電子を識別する。

φ中間子の質量の求め方
以下の関係を用いて、φ中間子の質量を求める。

φ中間子の質量 ＝（φ中間子のエネルギー）2 − （φ中間子の運動量）2φ中間子のエネルギー ＝ 崩壊後の陽電子のエネルギー ＋ 崩壊後の電子のエネルギーφ中間子の運動量 ＝ 崩壊後の陽電子の運動量 ＋ 崩壊後の電子の運動量（ただし、運動量はベクトル量）

崩壊後の（陽）電子のエネルギー ＝（崩壊後の（陽）電子の質量）2 ＋ （崩壊後の（陽）電子の運動量）2
電子・陽電子の質量は、粒子が電子・陽電子であることを識別したうえで、分かっている値を使用する。崩壊後の電子・陽電子の運動量を測定すれば、崩壊後の（陽）電子のエネルギー、φ中間子の運動量、φ中間子のエネルギーがわかることになり、φ中間子の質量が求められる。
電子・陽電子の運動量（の絶対値）
は、電子・陽電子の磁場中での飛跡の曲率半径から求めることができる。

実験装置全景 [注] 検出器中央で実際に光が発生しているわけではありません京都大学 大学院理学研究科 物理学・宇宙物理学専攻
博士後期課程2年

ハドロンの質量が変わる？

足利 沙希子電子を 見る検出器の開発

京都大学 大学院理学研究科
物理学・宇宙物理学専攻

成 木 恵 准教授

原子核の高密度環境で、φ中間子の質量が原子核の外にいるときよりも本当に異なるかを確かめる本実験。成木氏には、本実験の技術上足利さんは、成木氏が所属する研究室の大学院生として、鉛ガラス電磁カロリメータ (LG) の開発を担当。LG の役割は電子、陽電子ののポイントと、そうした技術開発の先にある究極の目標が何なのかを伺った。

識別で、鉛ガラス中で電子、陽電子が起こす光を光電子増倍管で検出することだ。

目指す物理を明らかにするための技術上のポイント

原子核
φ中間子

φ中間子は寿命の間に原子核の外まで電子φ中間子陽電子移動してから崩壊する場合が多いが、約原子核

電子陽電子

過去の実験からの改造のポイント
高エネルギー加速器研究機構（KEK）
つくばキャンパスでの先行実験でもLGは10%の割合で原子核の中で崩壊する。

使われていた。今回の開発要素は、「高統南部理論が正しければ、φ中間子の質量計量を目指す今回の実験では、過去の実φ中間子が原子核内で崩壊した場合、原子核外で崩壊した場合よりも質量が異なるかどうか確かめる。

増幅回路の改良を行った。
「どう改良すれ今後の抱負ばレート耐性が上がるのか、抵抗や印可「年度末の最初のビームで検出器と実電圧を変えてみて都度テスターで増幅率

験全体の立ち上げを行います。無事に動を調べました。」

くように、今、頑張っています。」さらに長期的には、「物理データをとって結果を出支柱の強度計算やクレーン操作もすところまでが大事です。この実験で結を測定すると、原子核の中と外で崩壊した験とレートが全く異なります。過去のまま場合に相当する、わずかな質量の差が測LGを用いたのでは、光電子増倍管が対応重い検出器を支える支柱の強度計算もできるレートを超えてしまいます。そこで、す。」現在は、もっぱら測定のための技術自身で行っている。また、複雑な形に鉛ガ鉛ガラスのブロックを半分に切ってブロッ面に打ち込んでいる足利さんだが、そのラスブロックを配置するのにクレーンを操ク1個当たりのレートを減らしました。」

先に見据えているものは、成木氏と同じ、作する必要があり、そのための資格もハドロンの物理であることが、はっきりと取ったそうだ。

伺えた。

定されるはずだ。それを見極めるためには、高い質量分解能（小さな質量の差を識別できる能力）と高い統計量（データ量）が必須となる。

高質量分解能を実現するための技術
囲み記事「φ中間子の質量の求め方」か
ら、質量分解能を左右するのは、「曲率半径の測定精度」と「磁場の強さ」であることが分かる。前者を担うのが新規開発した
GEMトラッカー。後者については、「飛跡を検出する部分に強い磁場をかける工夫が必要で、電磁石組の技術のおかげで実現しました。」（電磁石組のインタビュー参照）

高統計量（データ量）を実現するための技術
φ中間子が原子核の中で崩壊する割合は小さいので、原子核外で崩壊した場合「クォークから物ができるしくみを解明との区別が難しい。
「両者の質量の分離にする第一歩が、原子核中でのハドロンのは多くのデータが必要で、高いレート（単質量の変化を解明することです。」と成木

位時間当たりに受ける粒子数）に対応で氏は言う。ミクロの世界のクォーク同士のきる検出器が必要です。その開発が、足利間に働く力は「強い力」といって、我々のさんが行っている研究です。」（足利さん生活するマクロな世界で支配的な力であのインタビュー参照）

る「重力」や「電磁気力」とは全く違った性質を持つ。この力の性質を説明する理論

技術開発の先に見据えるものは・・・ら全てが導けるわけではない。
クォークか「例えば鉛筆が何からできているのか、ら物ができるしくみには、QCDが深くかかどんどん細かく見ていけば、原子にたどりわっていると考えられている。電磁石や検着きます。原子をさらに細かくすると、出器の開発を着実に一歩一歩進める先にクォークと呼ばれる素粒子に行き着きまは、「φ中間子の質量測定を通してQCDす。
しかし、クォークから鉛筆がどうやってを究め、クォークから物ができるしくみをできているのか、我々は分かっていませ解明したい」という壮大な夢があった。

ん。いわば、バラバラにしたおもちゃの部品が目の前にあっても、しくみが分かっていないのでおもちゃが組み立てられないというのと同じような状況なのです。」

が「量子色力学(QCD)」だが、この理論か改造したLGの性能評価
LGは粒子の入射位置によって応答がどうしてこの実験に携わったのか違うので、それを詳細に調べる必要があ「先輩の姿を見て、J-PARCハドロン実る。
「東北大学の電子ビームを使って試験験施設は大学院生主体で実験ができるとしました。シミュレーションも併用し、性能思いました。さらに、大学院生のときにあ評価しました。」さらに、電子と誤認しやする実験の立ち上げにかかわった方々が今いπ中間子に対する応答を調べる試験

スタッフやポスドクになって、実験を引っを、J-PARCハドロン実験施設で行った。

張られているのを見て、この高運動量

電子とπ中間子を適切に区別できる入射ビームラインで実験の立ち上げにかかわ角があることが分かったので、それに基づるのは勉強になると思いました。」足利さき鉛ガラスブロックの配置を設計した。

んは京大から参加した最初の大学院生で、今では数名の学生仲間がいる。
「現場光電子増倍管の改良高レートを受ける位置ではレートに耐えられないため、光電子増倍管そのものので活躍できるのは学生だと思う。学生がもっと増えてほしい。」今後が楽しみな限りである。

果を出すことが次の実験にもつながりま陽子ビームをスペクトロメータへ輸送するビームラインは真っ直ぐ進み、他の実験に使用される。
そして長丸形の端の部分の少量だけを本実験用のビームラインに分岐させるのだ。
普通の電磁石は、ビームが通る空間に必要な磁場を出すことだけが要求される。
しかし、この電磁石には、磁場がない空間と、磁場がある空間の両方が必要となる。そのためには、電磁石の磁極部にビームが当たる部分（断面拡大図で濃い赤色の部分）がどうしてもできてしまう。ビームが磁実験を支える電磁石の技術極に当たると熱や放射線が発生し、物理測

高エネルギー加速器研究機構(KEK) 素粒子原子核研究所 Ｊ−ＰＡＲＣセンター 素粒子原子核ディビジョン ハドロンセクション

定の妨げになったり、発生する放射線量が線に弱い有機物を排除します。コイルのロー）の存在が大きかった。」と、謙虚上昇するので、それをできるだけ減らした

絶縁には普通は有機樹脂が使われますに自身の道のりを振り返る広瀬氏を、「広い。その観点では濃い赤色の部分を小さが、その代わりに酸化マグネシウムという瀬さんは先人の技術を継承し、今や後輩くしたいが、一方で、分岐ビームを曲げる無機物を使っています。ほかにも、冷却水の育成に尽力しています。」と髙橋氏もためには強くて分布の一様な磁場を発生配管に必要なパッキンも普通は有機物な称えた。技術継承が世の中で課題とされさせないといけないので、濃い赤色の部ので、炭素やなまし銅に変えています。配る中、J-PARC ハドロン実験施設では、学校の理科でつくった読者も多いだろう。その電磁石と、電磁石組がつくる電磁石の違いを尋ねると、「何でもスケールが大きい！という分にはある程度の厚みが必要となり、その管の接続も、ボルトではなくてレバーをビーム強度が上がって膨らむ要求課題にことです。我々の扱う典型的な電磁石は、大きさ：3 メートル。重量：40トン。電流：2000 アンペア、パワー：500 キロワット。コ加減が彼らの腕の見せ所である。
「磁場計使って素早く脱着できるものにしていま応え、技術の継承、発展ができている。

イルとして巻く銅線は 2 cm 角。電流による発熱が大きく、もしも空気で冷やすだけだと、コイルの銅線が融けてしまうでしょう。よって算を繰り返して、ビームの当たる量を抑えコイルになる銅線には、ちくわのように真ん中に穴を開けて、その穴に直接水を流しこんで冷やします。それが、私達のつくる電磁石です。」

す。これらは通常の世の中には流通してまた、ハドロンセクションリーダーであるつつ必要な磁場が得られる形を追求しまいない、特殊なものなので、アイディア出

澤田氏は「電磁石の設計・製作からそのした。そういうわけで、こんな形なんでしから行って、試作し、試験します。」（広瀬

運転までできるグループは世界的にも希す。」と言った広瀬氏は、「こんな変わった氏）電磁石は、大強度（粒子数が多い）の少だ。」と語る。広瀬氏は、「J-PARC形の磁極をつくるのもまた大変です。」とビームを安定に供給するための様々な試は世界で初めてのことがたくさんあって、J-PARCでは通常、加速した一次陽子続けた。
「角付きのピースを2つ合わせて行錯誤の結晶なのだ。

大強度ゆえに熱、放射線など課題がたくビームを生成標的に当て、そこから発生つくりました。長さ４ｍにわたって角の先する二次粒子を集めてビームとして実験端を精度よく削って合わせるのが大変でグループに供給する。ハドロン実験施設でした。」

小松 雄哉 助教

広瀬 恵理奈 技術副主幹

髙橋 仁 准教授

ハドロン実験施設で目指す物理を明らかにするために必要な技術を担う、「電磁石組」の広瀬氏、髙橋氏、小松氏。電磁石といえば、小と話してくれた。

スペクトロメータ電磁石
今回の実験で目指す物理を明らかにす

20トンの鉄芯部品約３０個を±0.1mmの精度で合わせながら一つ一つ組み立てるために重要なポイントとなるのが、成木ていき、最終的に上下の磁極位置は氏が語ったとおり、飛跡を検出する部分で0.4 mmの精度で合わせることができある、スペクトロメータの中心付近に強いた。
「円錐状の磁極は後から追加で取り付磁場を発生させることだ。スペクトロメー

けたので、位置合わせのための『はめ合タの電磁石は、もともと東大原子核研究い』（軸と穴の組み合わせ）が無く、大変で所のサイクロトロン加速器に使われていした。円の部分に十字の印を付け、それをたものをKEKつくばキャンパスでの先行合わせましたが、丸いので、位置合わせの実験に使用した後、本実験用に改造した。

ための0.1mmの押し引きが、難しくて・・・。

幅５ｍ、高さ５ｍ、奥行２ｍ、重さが３００ト

特に上側の磁極は専用の井桁状の支持ンの巨大な電磁石。円錐状の磁極を新た台を組み立てて、クレーンで吊りながら位に取り付けることで、先行実験の2.5倍の置合わせをしました。」と、広瀬氏が苦労を中心磁場を発生させられる。
１個10〜語ってくれた。

ビームラインの電磁石のこれまでの実験は全て、この二次ビーある程度の放射線の発生があるというムを利用するものだ。
しかし、本実験は、一前提をふまえ、放射線で壊れない磁石を次陽子ビームの一部を分岐し、それを直つくる、さらに、壊れた場合に遠隔操作で接実験に用いる点がユニークだ。分岐電交換ができるようにするといった対策も磁石には、電磁石組の技術が結集されて行っている。具体的には、「材料から放射さんあります。おもしろいと思ってどんど仕事に対する広瀬氏の思いん取り組んでいってもらいたいと思いま「知識も技術も何もないところから始す。」と後進への熱い期待を述べ、締めめたので、何も考えず頑張るしかないとくくってくれた。

思ってやってきたんです。そうしているうちに、おもしろくなってきちゃって。師匠の田中万博さん（現KEK シニアフェいた。髙橋氏が、図を見せて、丁寧に説明してくれた。右ページ下の図のように、長ビーム分岐用電磁石の断面図

陽子ビームのうち磁場がある空間にはみ出した一部のみが曲げられる

丸形の断面をもつビームのうち、大部分

コイル

S極

ビームの一部が磁極に当たる

磁場がある空間N極ビーム
磁場がない空間

長丸形のビームの大部分は磁場がない
空間を通って直進する

ビームの大部分は直進して他の実験に使われる（赤色）。
端の一部が磁場で曲げられ、本実験に使用する（青色）。

2019 No. 12
表紙：実験中のスペクトロメータイメージ

質量の謎に迫る実験と、研究者達の熱い思い̶ お楽しみいただけましたでしょうか？ ご意見、ご感想を web-staﬀ@j-parc.jp 宛にお寄せください。
＜ 編集後記 ＞
しばらく休刊しておりました「季刊誌J-PARC」を再開しました。最新のサイエンスやその探求に必要な技術と、それらを生み出す「人」に密着することで生き生きとお伝えしていきます。引き続きご愛読ください。
季刊誌 J-PARC No.12

2019年6月発行（年4回発行） 発行／ J-PARCセンター 〒319 -1195 茨城県那珂郡東海村大字白方2-4

編集／ J-PARCセンター広報セクション 企画・編集／森田 大介（カシカガク）
CG制作／宮崎 剛（カシカガク） デザイン／仲川孝治（studio tama,syu）

http://j-parc.jp